JP6622343B2 - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
電力半導体デバイスは、高い最大電流密度と、高い電圧阻止能力とを兼ね備える。一般的な電力半導体デバイスは、負荷電流が半導体ダイの2つの向かい合った面の間を流れるように、垂直構造を有する。垂直デバイスでは、電力半導体デバイスの最大電流定格は、その面積に比例し、及び電圧阻止能力は、半導体ダイにおけるドリフト領域の高さ又は垂直延在部と正の相関がある。IGFET(絶縁ゲート電界効果トランジスタ)及びIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などの電力半導体スイッチでは、ゲート誘電体によって本体領域に容量結合されたゲート電極が、本体領域を流れる負荷電流を制御する。SiCのような高い固有の破壊電界強度を持つ半導体の場合に、高い阻止電圧が、ドリフト領域の特性の代わりに、ゲート誘電体の誘電強度が電力半導体デバイスの電圧阻止能力を決定し得るように、ゲート誘電体付近で強い電界を生じさせる。 Power semiconductor devices combine a high maximum current density with a high voltage blocking capability. A typical power semiconductor device has a vertical structure so that the load current flows between two opposing faces of the semiconductor die. For vertical devices, the maximum current rating of the power semiconductor device is proportional to its area, and the voltage blocking capability is positively correlated with the height of the drift region or the vertical extension in the semiconductor die. In power semiconductor switches such as IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) and IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a gate electrode capacitively coupled to the body region by a gate dielectric controls the load current flowing through the body region. In the case of a semiconductor with a high intrinsic breakdown field strength, such as SiC, a high blocking voltage allows the dielectric strength of the gate dielectric to determine the voltage blocking capability of the power semiconductor device instead of the drift region characteristics. A strong electric field is generated near the gate dielectric.
電圧阻止能力をさらに高めるとともに、電流定格及びオン状態抵抗率に対する悪影響なしに、又は電流定格及びオン状態抵抗率に対する低い悪影響だけで、半導体デバイスのアバランシェ耐久性を向上させる必要性がある。 There is a need to further increase the voltage blocking capability and improve the avalanche durability of semiconductor devices without adversely affecting the current rating and on-state resistivity or only having a low adverse effect on the current rating and on-state resistivity.
本開示は、第1の面から炭化ケイ素半導体本体内に延在するトレンチ構造を包含する半導体デバイスに関する。トレンチ構造は、トレンチ構造の下部に補助電極、及び補助電極と第1の面との間に配置されてもよいゲート電極を包含してもよい。シールド領域が、トレンチ構造の下部において補助電極に隣接してもよく、及びドリフト構造と第1のpn接合を形成してもよい。 The present disclosure relates to a semiconductor device that includes a trench structure that extends from a first surface into a silicon carbide semiconductor body. The trench structure may include an auxiliary electrode under the trench structure and a gate electrode that may be disposed between the auxiliary electrode and the first surface. A shield region may be adjacent to the auxiliary electrode at the bottom of the trench structure and may form a first pn junction with the drift structure.
本開示はさらに、第1の面から炭化ケイ素半導体本体内に延在するトレンチ構造を包含する半導体デバイスに関する。トレンチ構造は、第1及び第2のセグメントを包含する。第1及び第2のセグメントのそれぞれは、トレンチ構造の第1の側壁から反対側の第2の側壁へと延在する。第1のセグメント内のゲート電極が、トレンチ構造の下部において半導体本体から誘電的に絶縁される。補助電極が、第2のセグメント内に形成される。シールド領域が、トレンチ構造の下部において補助電極と隣接し、及び半導体本体のドリフト構造と第1のpn接合を形成する。フィールド誘電体が、補助電極及びドリフト構造を分離する。 The present disclosure further relates to a semiconductor device that includes a trench structure that extends from a first surface into a silicon carbide semiconductor body. The trench structure includes first and second segments. Each of the first and second segments extends from the first sidewall of the trench structure to the opposite second sidewall. The gate electrode in the first segment is dielectrically isolated from the semiconductor body at the bottom of the trench structure. An auxiliary electrode is formed in the second segment. A shield region is adjacent to the auxiliary electrode at the bottom of the trench structure and forms a first pn junction with the drift structure of the semiconductor body. A field dielectric separates the auxiliary electrode and the drift structure.
本開示は、炭化ケイ素デバイスの製造方法にも関する。ドリフト層構造と第2のpn接合を形成する本体層を包含する炭化ケイ素基板の処理面にトレンチが形成され、本体層は、処理面とドリフト層構造との間に存在する。トレンチは、ドリフト層構造を露出させる。トレンチの下部を通してドーパントが注入されることによって、ドリフト層構造と第1のpn接合を形成するシールド領域が形成される。誘電体スペーサが、トレンチの側壁上に形成される。補助電極の埋込部分が、トレンチの下部セクションに形成され、埋込部分は、シールド領域に隣接する。 The present disclosure also relates to a method of manufacturing a silicon carbide device. A trench is formed in the processing surface of the silicon carbide substrate that includes the body layer that forms the drift layer structure and the second pn junction, and the body layer exists between the processing surface and the drift layer structure. The trench exposes the drift layer structure. A dopant is implanted through the lower portion of the trench to form a shield region that forms the drift layer structure and the first pn junction. Dielectric spacers are formed on the sidewalls of the trench. A buried portion of the auxiliary electrode is formed in the lower section of the trench, and the buried portion is adjacent to the shield region.
さらなる実施形態が、従属クレームに記載される。当業者は、以下の詳細な説明を読めば、及び添付の図面を見ることにより、追加の特徴及び利点を認識するだろう。 Further embodiments are described in the dependent claims. Those skilled in the art will recognize additional features and advantages upon reading the following detailed description and upon viewing the accompanying drawings.
添付の図面は、本実施形態のさらなる理解をもたらすために包含され、本明細書に組み込まれ、及び本明細書の一部を構成する。図面は、本実施形態を図示し、詳細な説明と共に、実施形態の原理の説明に役立つ。さらなる実施形態及び意図された利点は、以下の詳細な説明を参照することにより、より深く理解されるようになるので、容易に認識されるだろう。 The accompanying drawings are included to provide a further understanding of the embodiments, are incorporated in and constitute a part of this specification. The drawings illustrate this embodiment and, together with the detailed description, serve to explain the principles of the embodiment. Further embodiments and intended advantages will be readily appreciated as they become more fully understood by reference to the following detailed description.
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を成し、及び特定の実施形態の図示として示される添付の図面が参照される。他の実施形態を利用することができ、及び本開示の範囲から逸脱することなく構造的又は論理的変更を行うことができることが理解されるものとする。例えば、ある実施形態に関して図示又は記載される特徴は、またさらなる実施形態を生み出すために他の実施形態に対して、又は他の実施形態と併せて使用することができる。本開示は、そのような変更形態及び変形形態を包含することが意図されている。例は、添付の請求項の範囲を限定するものと解釈されない特定の言語を用いて記載される。図面は、一定の縮尺ではなく、単なる例示目的のものである。別段の言明のない限り、異なる図面における対応する要素は、同じ参照符号で示される。 In the following detailed description, references are made to the accompanying drawings that form a part hereof and are shown by way of illustration of specific embodiments. It is to be understood that other embodiments can be utilized and structural or logical changes can be made without departing from the scope of the present disclosure. For example, features illustrated or described with respect to certain embodiments can be used with respect to or in conjunction with other embodiments to yield still further embodiments. The present disclosure is intended to encompass such modifications and variations. The examples are described using a specific language that is not to be construed as limiting the scope of the appended claims. The drawings are not to scale and are for illustrative purposes only. Unless otherwise stated, corresponding elements in the different figures are denoted by the same reference signs.
「有する(having)」、「含有する(containing)」、「包含する(including)」、「含む(comprising)」などといった用語は、非制限的であり、これらの用語は、記載された構造、要素又は特徴の存在を示すが、追加の要素又は特徴を除外しない。冠詞「a」、「an」及び「the」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、単数だけでなく、複数も包含することが意図される。 Terms such as “having”, “containing”, “including”, “comprising” and the like are non-limiting, and these terms include the described structure, Indicates the presence of an element or feature, but does not exclude additional elements or features. The articles “a”, “an” and “the” are intended to include the plural as well as the singular unless the context clearly indicates otherwise.
「電気的に接続された」という用語は、電気接続された要素間の永続的な低オーミック接続(例えば、当該要素間の直接的接触又は金属及び/若しくは高濃度にドープされた半導体材料を介した低オーミック接続)を表す。「電気結合された」という用語は、信号伝送に適した1つ又は複数の介在要素が、電気結合された要素(例えば、低オーミック接続を第1の状態で、及び高オーミック電気減結合を第2の状態で一時的に提供するように制御可能な要素)間に存在し得ることを包含する。 The term “electrically connected” refers to permanent low ohmic connections between electrically connected elements (eg, through direct contact between the elements or through metal and / or heavily doped semiconductor material). Low ohmic connection). The term “electrically coupled” means that one or more intervening elements suitable for signal transmission are electrically coupled elements (eg, a low ohmic connection in a first state and a high ohmic electrical decoupling in a first state). Element that can be controlled to provide temporarily in two states).
図面は、ドーピングの型「n」又は「p」の隣に「−」又は「+」を示すことによって、相対ドーピング濃度を示す。例えば、「n−」は、「n」ドーピング領域のドーピング濃度よりも低いドーピング濃度を意味し、「n+」ドーピング領域は、「n」ドーピング領域よりも高いドーピング濃度を有する。同じ相対ドーピング濃度のドーピング領域が、必ずしも同じ絶対ドーピング濃度を有するとは限らない。例えば、2つの異なる「n」ドーピング領域が、同じ又は異なる絶対ドーピング濃度を有していてもよい。 The figure shows the relative doping concentration by indicating "-" or "+" next to the doping type "n" or "p". For example, “n−” means a doping concentration lower than the doping concentration of the “n” doping region, and the “n +” doping region has a higher doping concentration than the “n” doping region. Doping regions with the same relative doping concentration do not necessarily have the same absolute doping concentration. For example, two different “n” doping regions may have the same or different absolute doping concentrations.
図1は、トランジスタセルTCを包含する半導体デバイス500を示す。半導体デバイス500は、例として、IGFET(絶縁ゲート電界効果トランジスタ)、例えば、金属ゲートを備えたFET並びに半導体材料に由来するゲートを備えたFETに関する通常の意味におけるMOSFET(金属酸化物半導体FET)、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、又はMCD(MOS制御ダイオード)でもよく、又はそれを包含してもよい。
FIG. 1 shows a
半導体デバイス500は、炭化ケイ素(SiC)に基づく半導体本体100を包含する。トランジスタセルTCは、半導体本体100の第1の面101によって定義される前面に形成される。ドリフト構造130は、トランジスタセルTCと、裏側の半導体本体100の第2の面102との間に形成され、第2の面102は、第1の面101と平行である。第1及び第2の面101、102と平行な方向は、水平方向であり、第1の面101に直交する方向は、垂直方向を定義する。
The
ドリフト構造130は、第2の面102に直接隣接してもよい高濃度にドープされたベース部分139、及びトランジスタセルTCと高濃度にドープされたベース部分139との間の低濃度にドープされたドリフトゾーン131を包含してもよい。ドリフト構造130は、電流拡散ゾーンをさらに包含してもよい。電流拡散ゾーンは、本体領域120と、低濃度にドープされたドリフトゾーン131との間に配置されてもよい。電流拡散ゾーンは、ドリフトゾーン131よりも高いドーピング濃度を有する。
The
トレンチ構造150は、第1の面101から半導体本体100内及びドリフト構造130内に延在する。半導体本体100のメサ部分190は、トレンチ構造150に側方で直接隣接し、且つ隣り合うトレンチ構造150を互いに分離する。トレンチ構造150は、半導体本体100に少なくとも1つのトレンチを含めばよい。本明細書を通して、トレンチは、半導体デバイス500の電極トレンチでもよい。
The
メサ部分190は、ドリフト構造130と第2のpn接合pn2を形成し、及びソースゾーン110と第3のpn接合pn3を形成する本体領域120を包含し、ソースゾーン110は、本体領域120と、第1の面101との間にある。
The
トレンチ構造150は、第1のセグメント151及び第2のセグメント152を包含する。第1及び第2のセグメント151、152は、トレンチ構造150の第1の側壁から反対側の第2の側壁へと横方向に延在し、第1及び第2の側壁は、傾斜している(例えば、第1の面101に対して垂直である)。第1及び第2の側壁は、断面平面に直角に延在するトレンチ構造150の長辺を形成する。
The
第1のセグメント151は、少なくとも第1のセグメント151の上部セクションに形成されるゲート電極155を包含し、上部セクションは、第1の面101に向く。ゲート電極155が、例えば補助電極157の埋込部分によって、トレンチ構造150の下部から間隔を空けるように、ゲート電極155は、上部セクションだけに形成されてもよい。他の実施形態によれば、ゲート電極155は、第1のセグメント151の上部から下部へと延在し、誘電体構造(例えば、ゲート誘電体153又は別の誘電体の部分)が、トレンチ構造150の下部に沿って、ゲート電極155を半導体本体100から誘電的に絶縁する。ゲート誘電体153は、ゲート電極155を半導体本体100から電気的に分離することができる。ゲート電極155は、第1のセグメント151の両長辺のゲート誘電体153の2つの部分間で、第1のセグメント151の上部部分を完全に充填してもよい。
The
第2のセグメント152は、少なくとも第1の面101と同一平面上にある平面からトレンチ構造150の下部へと延在する補助電極157を包含する。フィールド誘電体159が、半導体本体100から(例えば、ドリフト構造130から)補助電極157を側方で分離してもよい。フィールド誘電体159の厚さは、ゲート誘電体153の厚さ以上であってもよい。補助電極157は、トレンチ構造150の両長辺のフィールド誘電体159の部分間で、トレンチ構造150の下部部分を完全に充填してもよい。
The
ゲート電極155は、ゲート端子Gに電気的に接続されてもよい。ソースゾーン110及び本体領域120は、第1の負荷端子L1に電気的に接続されてもよい。補助電極157は、第1の負荷端子L1、半導体デバイス500の別の端子、又は内部ドライバ若しくは電圧調整回路の出力に電気的に接続されてもよい。
The
少なくとも第2のセグメント152の下部のシールド領域140が、補助電極157とオーミック接触(具体的には低オーミック接触)し、及びドリフト構造130と第1のpn接合pn1を形成する。シールド領域140は、少なくとも第2のセグメント152の垂直突起に形成されてもよく、及び補助電極157に直接隣接してもよい。シールド領域140の垂直延在部v0は、少なくとも500nm(例えば、少なくとも1.5μm又は少なくとも2.0μm)でもよい。半導体デバイス500は、複数の分離したシールド領域140を含んでもよい。例えば、ドリフト構造130の複数の部分が、シールド領域140を互いに分離してもよい。複数のシールド領域140は、ドリフト構造130と複数のそれぞれの第1のpn接合pn1を形成してもよい。
At least the
トランジスタセルTCは、pドープ本体領域120、nドープソースゾーン110及びnドープドリフトゾーン131を備えたnチャネル型のものでもよく、又はnドープ本体領域120、pドープソースゾーン110及びpドープドリフトゾーン131を備えたpチャネルトランジスタセルでもよい。以下の説明は、nチャネルトランジスタセルTCを備えた半導体デバイス500に関する。同様の考えが、pチャネルトランジスタセルTCを備えた半導体デバイスに当てはまる。
The transistor cell TC may be an n-channel type comprising a p-doped
閾値電圧を超えるゲート端子Gの電圧は、トランジスタセルTCをオンにする。電界効果により、蓄積された少数電荷担体が、ゲート誘電体153に沿って本体領域120において、反転チャネルを形成する。反転チャネルは、負荷電流が本体領域120及び第1の負荷端子L1と第2の負荷端子L2との間を流れるように、ソースゾーン110をドリフト構造130に接続する。
A voltage at the gate terminal G exceeding the threshold voltage turns on the transistor cell TC. Due to the field effect, the accumulated minority charge carriers form an inversion channel in the
ゲート端子Gの電圧が閾値電圧を下回ると、トランジスタセルTCがオフになる。オフ状態では、第2のpn接合pn2は、逆バイアスをかけられたままであり、ドリフトゾーン131の垂直延在部、及び第2のpn接合pn2とベース部分139との間のドリフトゾーン131のドーパント濃度が、半導体デバイス500の電圧阻止能力を決定する。シールド領域140から側方に延在する空乏層が、第2の負荷端子L2の電位に対してゲート誘電体153をある程度シールドし、及び第1のpn接合pn1において電圧破壊をクランプする。埋込補助電極157は、シールド領域140と、例えば第1の負荷端子L1との間の直接的な低オーミック接続の一部を形成する。
When the voltage at the gate terminal G falls below the threshold voltage, the transistor cell TC is turned off. In the off state, the second pn junction pn2 remains reverse biased and the vertical extension of the
補助電極157は、電荷担体の移動度が高濃度にドープされた単結晶炭化ケイ素のものよりも大幅に高い材料に由来する。例えば、補助電極157は、金属含有層及び/若しくは高濃度にドープされた多結晶シリコンから構成されてもよく、又は金属含有層及び/若しくは高濃度にドープされた多結晶シリコンを包含してもよい。アバランシェ破壊の場合、補助電極は、低オーミック経路に沿って、及びメサ部分190を通る垂直の電荷担体の流れなしに、第1の負荷端子L1に対してアバランシェ電流を流出させ、電荷担体は、ソースゾーン110、本体領域120及びドリフトゾーン131によって形成される寄生npnバイポーラ接合トランジスタのベース電流として有効となり得る。このようにして、シールド領域140と組み合わせた補助電極157は、半導体デバイス500のアバランシェ耐久性を大幅に向上させる。
The
メサ部分190のドープ領域を通るシールド領域の接続を用いた方法と比較して、より多くの半導体材料をトランジスタの機能性に割り当てることができる。隣り合うトレンチ構造150間の距離が縮小されてもよく、及び反転チャネルとドリフト構造130との間の接続抵抗を減らすために、本体領域120に直接隣接するドリフト構造130の部分のドーパント濃度をさらに増加させることができる。
More semiconductor material can be assigned to the functionality of the transistor as compared to the method using a shield region connection through the doped region of the
第1のセグメント151及び第2のセグメント152は、第1のpn接合pn1に沿った空乏領域の側方延在部が、ゲート誘電体153において有効な電界強度を低下させるように、並べて形成される。
The
図2A及び2Bは、第1及び第2のセグメント151、152の異なる実施形態を示し、図2Aでは、第1及び第2のセグメント151、152が、異なるトレンチ構造150に形成され、図2Bでは、第1及び第2のセグメント151、152が、同じトレンチ構造150の異なるセクションに形成される。図2Aでは、第1のセグメント151が、第1のトレンチ構造1501にのみ形成され、第2のセグメント152が、第2のトレンチ構造1502にのみ形成され、第1及び第2のトレンチ構造1501、1502は、メサ部分190によって互いに分離される。
2A and 2B show different embodiments of the first and
第1及び第2のトレンチ構造1501、1502は、長手方向軸が断面平面に直交したストライプ形状でもよく、第1及び第2のトレンチ構造1501、1502は、同じ幅及び同じ垂直延在部を有していてもよい。他の実施形態によれば、第1のトレンチ構造1501の第1の垂直延在部v1は、第2のトレンチ構造1502の第2の垂直延在部v2よりも小さくてもよい。1つ、2つ、又はそれ以上の第1のトレンチ構造1501が、1対の隣り合う第2のトレンチ構造1502の間に配置されてもよい。
The first and
ゲート電極155は、第1の面101から第1のトレンチ構造1501の下部まで延在する。補助電極157は、第1の面101から第2のトレンチ構造1502の下部まで延在する。ゲート電極155及び補助電極157は、高濃度pドープ多結晶シリコンの1回の単一堆積プロセスによって得られてもよい。ゲート電極155を半導体本体100から分離するゲート誘電体153は、補助電極157をとりわけドリフト構造130から側方で分離するフィールド誘電体159の厚さ以下の厚さを有していてもよい。
The
図2Bでは、第1のセグメント151及び第2のセグメント152が、トレンチ構造150の水平長手方向軸に沿って交互に存在する。トレンチ構造150の長手方向軸に沿った第2のセグメント152の延在部は、アバランシェ破壊が第1のpn接合pn1で止められる程度に、ドリフト構造130に直接隣接するゲート誘電体153の下部部分における電界強度が低下するように選択される。分離誘電体156は、同じトレンチ構造150において、ゲート電極155から補助電極157を電気的に絶縁する。ゲート誘電体153は、フィールド誘電体159と同じ厚さを有していてもよく、又は、ゲート誘電体153は、フィールド誘電体159よりも薄くてもよい。
In FIG. 2B, the
図2Cでは、ゲート電極155は、ゲート電極155が、トレンチ構造150の第1のセグメント151において第1の面101と同一平面上にある平面から補助電極157の埋込部分1571を引き離すように、補助電極157の埋込部分1571と、第1の面101との間に、垂直方向に沿って配置される。第1の厚さth1を持つゲート誘電体153は、ゲート電極155を少なくとも本体領域120から側方で分離する。第1の厚さth1よりも大きくてもよい第2の厚さth2を持つフィールド誘電体159は、補助電極157を少なくともドリフト構造130から側方で分離する。
In FIG. 2C, the
ゲート電極155と半導体本体100との間の誘電体分離は別として、ゲート電極155は、トレンチ構造150の上部セクション全体を充填してもよい。補助電極157は、トレンチ構造150の下部セクションにおけるトレンチ構造150の長辺の両側壁上のフィールド誘電体159の2つの部分間で、トレンチ構造150を完全に充填してもよい。
Apart from the dielectric isolation between the
トレンチ構造150の垂直突起におけるシールド領域140は、少なくとも0.5μm(例えば、少なくとも1.5μm)の垂直延在部v0を有していてもよい。
The
図2Dの断面平面に平行した平面における第2のセグメントでは、トレンチ構造150は、補助電極157を第1の負荷端子L1、補助端子、又は半導体デバイス500の内部ネットワークノードに電気的に接続する接続構造を包含してもよい。接続構造は、深い接触でもよい。ある実施形態によれば、ゲート電極155及び分離誘電体156は、第2のセグメントには存在せず、及び補助電極の接続部分は、第1の面101と同一平面上にある平面と、埋込部分1571との間に延在する。
In a second segment in a plane parallel to the cross-sectional plane of FIG. 2D, the
図2Dでは、第1のセグメント151は、ゲート電極155を包含する上部セクションと、トレンチ構造150の下部との間の下部セクションにおいて、補助電極の埋込部分1571を包含する。シールド領域140は、トレンチ構造150の水平長手方向延在部全体に沿って、連続したストライプを形成する。第2のセグメント152は、補助電極157の接続部分1572をさらに包含する。分離誘電体156は、第1のセグメント151において、第1の面101と平行に延在する水平部分を包含する。
In FIG. 2D, the
図3A〜3Cは、六方晶格子のワイドバンドギャップ半導体材料(例えば、2H−SiC(2HポリタイプのSiC)、6H−SiC、又は15R−SiC)に由来する半導体本体100を包含する半導体デバイス500を示す。ある実施形態によれば、半導体材料は、4Hポリタイプの炭化ケイ素(4H−SiC)である。
3A-3C illustrate a
半導体本体100の前面の第1の面101は、主結晶面と一致してもよく、第1の面101は、平面である。あるいは、第1の面101の配向は、その絶対値が、少なくとも2°及び最大で12°でもよい軸外角度α(例えば、約4°)分だけ主結晶面に対して傾斜してもよく、第1の面101は、平面でもよく、又は互いに対して変位し、及び軸外角度α分だけ水平平均平面に対して傾斜した平行な第1の面セクションと、第1の面セクションに対して傾斜し、及び第1の面101の断面ラインが鋸歯状ラインに近似するように第1の面セクションを接続する第2の面セクションとを包含してもよい。
The
平面の第1の面101に対して、又は鋸歯状の第1の面101の平均平面に対して平行な方向が、水平方向である。平面の第1の面101に対する、又は鋸歯状の第1の面101の平均平面に対する法線104が、垂直方向を定義する。
The horizontal direction is the direction parallel to the flat
図示された実施形態では、<0001>結晶軸は、軸外角度α(>0)分だけ法線104に対して傾斜しており、<11−20>結晶軸は、軸外角度α分だけ水平平面に対して傾斜しており、及び<1−100>結晶軸は、図3Bの断面平面に直交して伸びる。 In the illustrated embodiment, the <0001> crystal axis is tilted relative to the normal 104 by an off-axis angle α (> 0), and the <11-20> crystal axis is by an off-axis angle α. It is inclined with respect to the horizontal plane, and the <1-100> crystal axis extends perpendicular to the cross-sectional plane of FIG. 3B.
半導体本体100の裏側では、第2の面102が、第1の面101に対して平行に延在する。前面の第1の面101と、裏側の第2の面102との間の距離は、半導体デバイス500の公称阻止能力と正の相関がある。第1の面101と、第2の面102との間の半導体本体100の全厚さは、数百nm〜数百μmの範囲内であってもよい。
On the back side of the
トランジスタセルTCは、第1の面101に沿って前面に形成される。ドリフト構造130は、トランジスタセルTCを第2の面102から分離する。ドリフト構造130は、第2の面102に直接隣接する高濃度にドープされたベース部分139、及びトランジスタセルTCと高濃度にドープされたベース部分139との間に低濃度にドープされたドリフトゾーン131を包含してもよい。
The transistor cell TC is formed on the front surface along the
高濃度にドープされたベース部分139は、結晶インゴットから得られた基板部分でもよく、又は結晶インゴットから得られた基板部分を包含してもよく、及び第2の面102に直接隣接する第2の負荷電極320とオーミック接触を形成する。ベース部分139における平均ドーパント濃度は、第2の負荷電極320とのオーミック接触を確実にするのに十分な高さである。半導体デバイス500がIGFETである、又はIGFETを包含する場合、ベース部分139は、ドリフトゾーン131と同じ導電型を有する。半導体デバイス500がIGBTである場合、ベース部分139は、ドリフトゾーン131の相補導電型を有し、又は両方の導電型のゾーンを包含する。
The heavily doped
ドリフトゾーン131は、ベース部分139上にエピタキシーによって成長される層に形成されてもよい。ドリフトゾーン131における平均純ドーパント濃度は、1E15cm−3〜5E16cm−3の範囲内でもよい。ドリフト構造130は、さらにドープされた領域、例えば、フィールド停止ゾーン、ドリフトゾーン131の導電型のバリアゾーン、又はカウンタードープ領域を包含してもよい。図示された実施形態では、ドリフト構造130は、ベース部分139とは反対側のドリフトゾーン131に直接隣接する電流拡散ゾーン132を包含する。電流拡散ゾーン132における平均ドーパント濃度は、ドリフトゾーン131の平均ドーパント濃度の少なくとも150%(例えば、ドリフトゾーン131の少なくとも2倍)である。
The
ドリフトゾーン131は、ベース部分139に直接隣接してもよく、又はドリフトゾーン131と単極ホモ接合を成すバッファ層が、ドリフトゾーン131とベース部分139との間に直接存在してもよく(挟まれてもよく)、例として、バッファ層の垂直延在部は、約1μmでもよく、及びバッファ層の平均ドーパント濃度は、3E17cm−3〜1E18cm−3の範囲内でもよい。バッファ層は、半導体本体100の機械的応力を緩和させ、欠陥密度を減少させ、及び/又はドリフト構造130において電界の成形に貢献することができる。
The
トランジスタセルTCは、第1の面101から半導体本体100内及びドリフト構造130内に延在するトレンチ構造150に沿って形成される。半導体本体100のメサ部分190は、隣り合うトレンチ構造150を互いに側方で分離する。
The transistor cell TC is formed along a
第1の水平方向に沿ったトレンチ構造150の長手方向延在部は、第1の水平方向に直交する第2の水平方向に沿ったトレンチ構造150の幅よりも大きい。トレンチ構造150は、トランジスタセル領域の一方の側から反対側へと延在する長いストライプでもよく、トレンチ構造150の長さは、最大数百マイクロメートル又は数ミリメートルでもよい。他の実施形態によれば、複数の分離されたトレンチ構造150が、トランジスタセル領域の一方の側から反対側へと延在するラインに沿って形成されてもよい。トレンチ構造150の下部は、尖っていてもよく、又は丸味を帯びていてもよい。
The longitudinally extending portion of the
トレンチ構造150は、等しく間隔を空けてもよく、等しい幅を有してもよく、及び規則的なパターンを形成してもよく、トレンチ構造150のピッチ(中心間距離)は、1μm〜10μm(例えば、2μm〜5μm)の範囲内でもよい。トレンチ構造150の垂直延在部は、0.3μm〜5μmの範囲内(例えば、0.5μm〜2μmの範囲内)でもよい。
The
トレンチ構造150の長辺における側壁は、第1の面101に対して垂直でもよく、法線104に対して斜めでもよく、又は第1の面101までの距離が増加するにつれてテーパー状になってもよい。例えば、垂直方向に対するトレンチ構造150のテーパー角は、軸外角度αに等しくてもよく、又は2つの向かい合った長手方向メサ側壁の少なくとも第1のメサ側壁191が、高い電荷担体移動度を持つ主結晶面(例えば、{11−20}結晶面)に形成されるように、±1度以下分だけ軸外角度αから逸脱してもよい。
The sidewalls on the long sides of the
第1のメサ側壁191の反対側の第2のメサ側壁192は、軸外角度αの2倍分だけ、例えば、4度以上分だけ(例えば、約8度分だけ)主結晶面に対して傾斜してもよい。第1及び第2のメサ側壁191、192は、中間メサ部分190の長手方向両側にあり、及び2つの隣り合うトレンチ構造150に直接隣接する。
The second
各メサ部分190は、相互接続されたセクションを備えた1つのソースゾーン110を包含してもよく、又はメサ部分190内で互いに分離しているが、メサ部分190に直接隣接するメサ接触構造315を通る低インピーダンス経路によって互いに電気的に接続される2つ以上のソースゾーン110を包含してもよい。ソースゾーン110は、少なくとも第1のメサ側壁191に直接隣接し、及び第2のメサ側壁192に直接隣接してもよく、又は第2のメサ側壁192から間隔を空けてもよい。
Each
メサ部分190は、ソースゾーン110をドリフト構造130から分離する本体領域120をさらに包含し、本体領域120は、ドリフト構造130と第2のpn接合pn2を形成し、及びソースゾーン110と第3のpn接合pn3を形成する。本体領域120は、少なくとも第1のメサ側壁191に直接隣接し、及び第2のメサ側壁192に直接隣接してもよく、又は第2のメサ側壁192から間隔を空けてもよい。本体領域120の垂直延在部は、トランジスタセルTCのチャネル長さに相当し、及び0.2μm〜1.5μmの範囲内でもよい。本体領域120と単極接合を成すパッシベーションゾーン129は、第2のメサ側壁192に沿って形成されてもよい。
The
メサ接触構造315は、中間層誘電体210中を延在し、並びにソースゾーン110及び本体領域120を前面の第1の負荷電極310に電気的に接続する。メサ接触構造315は、第1の面101上で終わってもよく、及びメサ部分190の水平長手方向に沿って、ソースゾーン110及び本体領域120と交互に直接接触してもよい。例えば、ソースゾーン110は、主に又は独占的に第1のセグメント151に沿って形成されてもよく、及び本体領域120は、主に又は独占的に第2のセグメント152に沿って第1の面101に直接隣接してもよい。
The
第1の負荷電極310は、MCDのアノード端子として、IGFETのソース端子として、若しくはIGBTのエミッタ端子として有効となり得る第1の負荷端子L1を形成してもよく、又は第1の負荷端子L1に電気的に接続若しくは結合されてもよい。
The
第2の負荷電極320は、第2の面102及びドリフト構造130のベース部分139に直接隣接する。裏面の第2の負荷電極320は、MCDのカソード端子として、IGFETのドレイン端子として、若しくはIGBTのコレクタ端子として有効となり得る第2の負荷端子L2を形成してもよく、又は第2の負荷端子L2に電気的に接続、若しくは結合されてもよい。
The
シールド領域140が、トレンチ構造150の下部に沿って形成されてもよく、例えば、トレンチ構造150の下部に直接隣接してもよい。シールド領域140は、ドリフト構造130と(例えば、ドリフトゾーン131と)第1のpn接合pn1を形成する。シールド領域140は、トレンチ構造150の垂直中心軸に対して対称でもよい。シールド領域140は、完全にトレンチ構造150の垂直突起内に存在してもよく、又はトレンチ構造150の垂直突起の中心部分にのみ形成されてもよい。シールド領域140における平均ドーパント濃度は、1E17cm−3〜2E19cm−3(例えば、8E17cm−3〜8E18cm−3)の範囲内でもよい。
The
トレンチ構造150は、高濃度にドープされた(例えば、pドープ)多結晶シリコン及び/又は金属含有層を包含してもよく、又はそれ(ら)から構成されてもよい導電ゲート電極155を包含する。ゲート電極155は、ゲート端子を形成する、又はゲート端子に電気的に接続若しくは結合されるゲートメタライゼーションに電気的に接続されてもよい。
ゲート誘電体153は、少なくとも第1のメサ側壁191に沿って、ゲート電極155を半導体本体100から分離する。ゲート誘電体153は、半導体誘電体(例えば、熱成長又は堆積された半導体酸化物(例えば、酸化ケイ素))、半導体窒化物(例えば、堆積又は熱成長された窒化ケイ素)、半導体酸窒化物(例えば、酸窒化ケイ素)、その他の堆積された誘電体材料、又はそれらの任意の組み合わせを包含してもよく、又はそれから構成されてもよい。ある実施形態によれば、ゲート誘電体153は、堆積後に高密度化及び部分的に窒化させた酸化ケイ素に基づく。ゲート誘電体153は、1.0V〜8Vの範囲内のトランジスタセルTCの閾値電圧のために形成されてもよい。
The
トレンチ構造150は、シールド領域140と低抵抗インタフェースを形成する補助電極157をさらに包含する。例えば、補助電極157は、シールド領域140とオーミック接触(具体的には低オーミック接触)する。ある実施形態によれば、補助電極157は、シールド領域140に直接隣接してもよい。トレンチの下部における補助電極157とシールド領域140との間のインタフェースは、第1の面101に平行でもよい。補助電極157は、高濃度にドープされた(例えば、pドープ)多結晶シリコン及び/又は金属含有層を包含してもよく、又はそれ(ら)から構成されてもよい。
The
補助電極157は、ゲート端子Gの電位及び第2の負荷端子L2の電位とは異なる電位に電気的に接続される。ある実施形態によれば、補助電極157は、第1の負荷端子L1、補助端子、又は内部ネットワークノードに電気的に接続される。
The
分離誘電体156は、ゲート電極155から補助電極157を分離する。フィールド誘電体159は、ドリフト構造130から補助電極157を側方で分離してもよい。フィールド誘電体159は、トレンチ構造150の側壁に沿って形成されてもよく、及びトレンチ下部において開口部を有していてもよい。ある例では、フィールド誘電体159は、トレンチ構造150の側壁に沿ってのみ形成され、及び開口部は、トレンチ下部全体のサイズを有していてもよい。別の実施形態によれば、フィールド誘電体159は、トレンチ下部に沿って延在する部分を包含してもよく、残りの開口部は、トレンチ下部全体よりも小さい。
The
フィールド誘電体159の厚さth2は、ゲート誘電体153の厚さth1よりも大きくてもよい。例えば、フィールド誘電体159の厚さth2は、ゲート誘電体153の厚さth1の少なくとも120%(例えば、少なくとも150%)でもよい。
The thickness th2 of the
分離誘電体156及びフィールド誘電体159は、同じ構成を有していてもよく、及び/又は同じ材料を包含していてもよく、あるいは、異なる構成を有していてもよく、及び/又は異なる材料を包含していてもよい。例えば、分離誘電体156及びフィールド誘電体159は、堆積された酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、その他の堆積された誘電体材料、又はそれらの任意の組み合わせを包含してもよい。代替的に、又は堆積層に加えて、フィールド誘電体159は、熱成長された酸化ケイ素又は酸窒化ケイ素を包含してもよい。フィールド誘電体159の誘電破壊電圧は、ゲート誘電体153のものよりも大幅に高い。
トレンチ構造150の第1のセグメント151において、ゲート電極155は、補助電極157の埋込部分1571と、第1の面101と同一平面上にある平面との間に形成される。ゲート電極155は、埋込部分1571を第1の面101から引き離し、ゲート電極155は、第1のセグメント151においてトレンチ構造150の上部セクションを完全に充填し、及びトレンチ構造150の長手方向と平行に延在する第1のトレンチ側壁のゲート誘電体153の部分から、反対側のトレンチ側壁のゲート誘電体153の部分へと延在する。補助電極157の埋込部分1571は、トレンチ構造150の下部部分を完全に充填し、及びトレンチ構造150の第1のトレンチ側壁上のフィールド誘電体159の部分から、反対側のトレンチ側壁上のフィールド誘電体159の部分へと延在する。
In the
トレンチ構造150の第2のセグメント152では、ゲート電極155は、存在せず、及び補助電極157は、垂直経路によって第1の負荷電極に直接接続される。
In the
ある実施形態によれば、補助電極157の接続部分1572が、埋込部分1571と、第1の面101との間に延在してもよく、補助接触構造317が、接続部分1572を第1の負荷電極310に電気的に接続する。接続部分1572は、第2のセグメント152の上部セクションを完全に充填してもよく、及びトレンチ構造150の第1のトレンチ側壁上のフィールド誘電体159の部分から、第2の反対側のトレンチ側壁上のフィールド誘電体159の部分へと延在してもよい。
According to some embodiments, the connecting
第2のセグメント152は、トレンチ構造150の水平長手方向に沿って、第1のセグメント151と交互に存在してもよく、水平長手方向は、第1の面101に平行である。水平長手方向に沿って、ゲート電極155を持たない第2のセグメント152に対する、ゲート電極155を持つ第1のセグメント151の長さ比は、少なくとも5:1(例えば、少なくとも10:1)でもよい。
The
オン状態では、パッシベーションゾーン129は、第2のメサ側壁192に沿って(これに沿って、電荷担体の移動度が、第1のメサ側壁191に沿った場合よりも大幅に低くてもよい)、チャネル形成を抑制することができる。オン状態では、負荷電極が、第1のメサ側壁191に沿ってのみ流れる。
In the on state, the
阻止モードでは、第1のpn接合pn1に沿って延在する空乏ゾーンが、電流拡散ゾーン132内へと側方に延在し、及びゲート誘電体153における電界強度が3.5MV/cmを超えない(例えば、3MV/cmを超えない)ように、第2の負荷端子L2で印加される高電圧からゲート誘電体153をシールドする。トレンチ構造150の下部において補助電極157を通してシールド領域140に電気的に接続することは、比較例のメサ部分190におけるpドープ領域と比較して高効率で、アバランシェ破壊の場合に、第1のpn接合pn1を通るnドープドリフトゾーン131から電荷担体(例えば、ホール)を流出させる。従って、隣り合うトレンチ構造150間の距離は、有効トランジスタ面積が増加するように減少させることができる。
In the blocking mode, a depletion zone extending along the first pn junction pn1 extends laterally into the current spreading
電圧破壊は、シールド領域140に沿って止められ、その結果生じる破壊電流は、ドープされた単結晶炭化ケイ素よりも良好な導電率を持つ導電材料によって吸収されることが可能である。アバランシェの場合に、メサ部分190を通るあらゆる電荷担体の流れの不在が、nドープソースゾーン110、pドープ本体領域120、及びnドープドリフト構造130によって形成される寄生npnバイポーラ接合トランジスタをオンにすることを完全に抑制する。
The voltage breakdown is stopped along the
トレンチ構造150の垂直突起にシールド領域140を配置することにより、開口トレンチの下部を通した注入によるシールド領域140の形成が容易になる。その結果、深いシールド領域140を、比較的低い加速エネルギーで形成することができる。より高濃度にドープされた電流拡散ゾーン132と組み合わせた深いシールド領域140により、オン状態抵抗のさらなる低下を容易にする側方補償構造を得ることができる。
By arranging the
接続部分1572が、トレンチ構造150内のゲート電極155を、分離誘電体156によって接続部分1572から絶縁される分離したゲート部分に分割する。トレンチ構造150内の分離したゲート部分は、ゲート接続ラインを包含するメタライゼーション層において、互いに電気的に接続されてもよく、及び第1の負荷電極310を半導体本体100から分離する中間層誘電体210に埋め込まれてもよい。ある実施形態によれば、トレンチ構造150におけるゲート電極155の分離したゲート部分は、ゲート電極155の材料のゲート導体構造158によって、電気的に接続されてもよく、ゲート導体構造158は、第1の負荷電極310と第1の面101との間の平面に形成される。
図4A〜4Eは、ゲート電極155の分離したゲート部分を電気的に接続するゲート導体構造158を備えた実施形態に関する。ゲート導体構造158は、第1の面101上又は第1の面101の上方に配置されてもよい。
4A-4E relate to embodiments with a
図4Aは、第1のセグメント151のゲート電極155の垂直突起において、第1の接続部分1581と、隣り合う第2のセグメント152間のメサ部分190の垂直突起において、第2のセグメント152と平行に延在する第2の接続部分1582とを包含するゲート導体構造158を示す。第1及び第2の接続部分1581、1582は、互いに隣接してもよい。図示された実施形態では、第3の接続部分1583が、第1及び第2の接続部分1581、1582を側方で接続する。第1の接続部分1581は、第1のセグメント151のゲート電極155の真上にあり、及びそれに接続されてもよい。第2の接続部分158は、メサ部分190の上方にあり、及びメサ部分190から間隔を空けてもよい。ゲート導体構造158は、隔離された補助接触構造317及びメサ接触構造315用の開口部を備えたグリッドを形成してもよい。
FIG. 4A shows a vertical projection of the
図4Bに示されるように、ゲート導体構造158の第1の接続部分1581は、ゲート電極155の垂直突起内にある。高導電材料(例えば、金属含有材料)由来のソース接触プラグ316が、メサ部分190の長手方向中心軸に沿って形成されてもよく、及びメサ接触構造315に直接隣接してもよい。
As shown in FIG. 4B, the
ソース接触プラグ316は、ソースゾーン110を通って本体領域120内に延在する。アバランシェの場合でさえ、電荷担体が本体領域120から殆ど流出されないので、ソースゾーン110への低オーミック接続を提供するように、ソース接触プラグ316を適合させてもよい。例えば、ソース接触プラグ316は、アルミニウム(Al)なしで形成されてもよい。例えば、ニッケル(Ni)由来の、又は薄いニッケルシリサイド(NiSi)層及び例えばタングステン(W)の補強部分の組み合わせを包含するソース接触プラグ316が、ソースゾーン110に対する低オーミック接触及び本体領域120のフローティングを防止するのに十分に高い導電率を提供する。
The
図4Cは、ゲート導体構造158の第2の接続部分1582が、メサ部分190の垂直突起内にあることを示す。ソース接触プラグ316は、第2の接続部分1582の垂直突起内にも形成されてもよい。
FIG. 4C shows that the
図4Dによれば、補助接触構造317が、第2のセグメント152の補助電極157の接続部分1572を第1の負荷電極310に電気的に接続する。分離誘電体156は、補助電極157の接続部分1572をゲート電極155から側方で分離する垂直部分を包含する。
According to FIG. 4D, the
図4Eは、ゲート導体構造158の第2の接続部分1582の長手方向延在部全体を示す。埋込ソース接触プラグ316は、連続的に、且つメサ部分190の長手方向に沿って間隙なしに形成される。
FIG. 4E shows the entire longitudinal extension of the
図3A及び3Bに図示されたような結晶方位を持つ4H−SiC半導体本体100において、第1のメサ側壁191は、第2のメサ側壁192よりも大幅に高い電荷担体の移動度を示してもよい。第2のメサ側壁192に沿った本体領域120を通る反転チャネルの形成は、トレンチ方向が第1の面101のオフオリエンテーション方向に直角である場合に、均一な閾値電圧を達成するために抑制されてもよい。例えば、全てのソースゾーン110が、第2のメサ側壁192から間隔を空け、第2のメサ側壁192に直接隣接する本体領域120の部分のドーパント濃度が、例えば図3Bに示されるパッシベーションゾーン129によって、大幅に高められてもよく、又はゲート誘電体153の厚さが、第1のメサ側壁191に沿った場合よりも、第2のメサ側壁192に沿って大幅に大きくてもよい。
In the 4H—
図5A及び5Bでは、第2のメサ側壁192が、第1のメサ側壁191と平行であり、及びメサ側壁191、192の両方が、電荷担体の移動度が第1及び第2のメサ側壁191、192に沿ってほぼ等しいように、軸外角度α分だけ法線104に対して傾斜している。例えば、図5A及び5Bのトレンチ構造150は、有向のイオンビームエッチングを用いて形成されてもよく、有向のイオンビームは、軸外角度α分だけ法線104に対して傾斜した角度で当たる。
In FIGS. 5A and 5B, the second
図6A及び6Bでは、半導体デバイス500は、pドープ本体領域120を備えたnチャネル電界効果トランジスタである。<0001>主結晶軸は、(11−20)主結晶面の方向に軸外角度α分だけ法線104に対して傾斜する。トレンチ構造150の水平長手方向軸が、<11−20>結晶方向の垂直平面内にあり、並びに、垂直の第1及び第2のメサ側壁191、192は、(−1100)及び(1−100)結晶面である。両結晶面における電荷担体の移動度は、第1及び第2のメサ側壁191、192両方の使用が、(11−20)結晶面に対してより低い電荷担体の移動度を過補償するように、ほぼ等しい。
In FIGS. 6A and 6B, the
図7A及び7Bでは、半導体デバイス500は、<0001>主結晶軸が、<1−100>結晶軸の方向に軸外角度α分だけ傾斜した、別のnチャネル電界効果トランジスタである。トレンチ構造150の長手方向軸は、<1−100>結晶方向と平行であり、並びに、垂直の第1及び第2のメサ側壁191、192は、ほぼ同じ電荷担体の移動度を持つ(11−20)及び(−1−120)結晶面である。
7A and 7B, the
図7Bでは、補助電極157が、インタフェース層1575を包含する。インタフェース層1575は、シールド領域140との低抵抗接触(例えば、オーミック接触)の一部を形成する。例えば、インタフェース層1575は、シールド領域140と直接隣接してもよい。インタフェース層1575は、少なくとも5nm(例えば、少なくとも10nm)の厚さを有してもよく、及び少なくとも1つの金属(例えば、アルミニウム)を包含してもよい。ある実施形態によれば、インタフェース層1575は、窒化アルミニウム又はアルミニウムチタンの層を包含する。補助電極157のさらなる部分が、一例として、高濃度にドープされた(例えば、pドープ)多結晶シリコンで作られてもよい。
In FIG. 7B, the
図8A及び8Bでは、B−B線及びB’−B’線に沿った断面が、1つ又は複数の詳細において(例えば、横寸法に対して、及びソースゾーン110の部分の有無に対して)互いに同一でもよく、又は互いに異なってもよい。
In FIGS. 8A and 8B, cross sections along lines BB and B′-B ′ are shown in one or more details (eg, for lateral dimensions and for the presence or absence of portions of
トレンチ構造150は、炭化ケイ素本体100の前面の第1の面101から前記炭化ケイ素本体100内に延在する。トレンチ構造150は、第2のストライプ部分162の第2のセットと交差する第1のストライプ部分161の第1のセットを包含するグリッドを形成する。あるセットのストライプ部分161、162は、互いに平行に伸びてもよく、又はあるセットは、ストライプ部分の非平行対称対を包含してもよく、対称対のストライプ部分は、中間中心軸に対して互いに対称である。
The
第1のストライプ部分161は、一定の距離で第2のストライプ部分162と交差してもよい。ストライプ部分161、162は、真っ直ぐでもよく、又は蛇行していてもよく、蛇行したストライプ部分161、162は、反復する一連の屈曲を包含してもよい。
The
図示された実施形態では、第1のストライプ部分161は、真っ直ぐ及び互いに平行であり、並びに、互いに平行に伸びる真っ直ぐな第2のストライプ部分162と直交に交差する。
In the illustrated embodiment, the
トレンチ構造150は、補助電極157及びゲート電極155を包含してもよいが、ゲート電極155は、補助電極157と、第1の面101が広がる平面との間の垂直方向に沿って、配置されてもよい。シールド領域140は、トレンチ構造150の下部において、補助電極157に直接隣接してもよい。シールド領域140は、補助電極157と低オーミック接触を形成してもよく、及び炭化ケイ素本体100のドリフト構造130と第1のpn接合pn1を形成してもよい。
Although the
ドリフト構造130は、トレンチ構造150と、炭化ケイ素本体100の裏面の第2の面102との間に形成されてもよく、及び低ドープドリフトゾーン131を包含してもよい。
The
トレンチ構造150の2つの隣り合う第1のストライプ形状部分161及び2つの隣り合う第2のストライプ形状部分162の間に、炭化ケイ素本体100のメサ部分190が形成される。メサ部分190の水平断面は、一例として、矩形(例えば、正方形)、ひし形、六角形、又は八角形でもよい。水平断面の縁は、鋭くてもよく、面取りがされていてもよく、又は丸味を帯びていてもよい。
A
メサ部分190では、本体領域120が、メサ部分190の水平断面全体にわたって延在してもよい。本体領域120は、ドリフト構造130(例えば、低ドープドリフトゾーン131又は電流拡散ゾーン)と第2のpn接合pn2を形成する。本体領域120は、ソースゾーン110と第3のpn接合pn3を形成する。
In
ソースゾーン110は、本体領域120と第1の面101との間に形成されてもよい。ソースゾーン110及び本体領域120の高濃度にドープされた接触部分128は、ストライプ形状でもよく、並びにメサ部分190が小さな水平断面積を有して形成され得るように、メサ部分190の上面191に沿って並んで形成されてもよい。
The
別の実施形態によれば、ソースゾーン110は、メサ部分190の外周全体に沿って延在してもよく、及び上面191に沿って接触部分128を完全に取り囲んでもよく、本体領域120に形成される反転チャネルは、メサ部分190の外周全体に沿ってソースゾーン110に直接接続されてもよい。
According to another embodiment, the
接触部分128は、第1の面101から本体領域120の主要部分125まで延在してもよく、接触部分128は、主要部分125よりも高いドーパント濃度を有してもよく、及び主要部分125は、接触部分128をトレンチ構造150から、ドリフト構造130から、又はその両方から分離する。例えば、接触部分128における最大ドーパント濃度は、主要部分125における最大ドーパント濃度の少なくとも2倍でもよい。
ゲート誘電体153は、メサ部分190の上側セクションの外周全体に沿って形成されてもよく、上側セクションは、本体領域120を包含する。ゲート誘電体153は、酸化ケイ素から形成されてもよく、又は酸化ケイ素及び/若しくは3.9を超える誘電率を持つ誘電材料を包含してもよい。
The
半導体デバイス500のオン状態では、反転チャネルが、メサ部分190の3つ以上の面上に(例えば、3つの面上に)、又はメサ部分190の外周全体に沿って生じてもよく、面積単位当たりの有効全チャネル幅は、ストライプ形状のメサ部分のものよりも大きくすることができる。より大きな全チャネル幅は、オン状態抵抗RDSonを低下させる。
In the on state of the
フィールド誘電体159は、補助電極157をドリフト構造130から側方で分離してもよい。フィールド誘電体159は、トレンチ構造150に沿って生じる最大電界強度に耐えるように形成されてもよく、及びゲート誘電体153よりも厚みがあってもよく、及び/又はゲート誘電体153の材料よりも低い誘電率(例えば、3.9未満)の材料を包含してもよい。例えば、フィールド誘電体159は、窒化ケイ素Si3N4を包含してもよく、又は窒化ケイ素Si3N4から構成されてもよい。
第1の負荷電極310は、メサ部分190の上面191に直接隣接してもよい。炭化ケイ素がシリコンよりも高いバンドギャップを示すので、炭化ケイ素トランジスタセルは、ラッチアップを起こしにくく、並びにソースゾーン110及び接触部分128の横方向のアライメントは、シリコンデバイスの場合と比較して、あまり重要ではない。第1の負荷電極310は、ソースゾーン110と本体領域120とに対して平面オーミック接触を形成してもよく、及びトレンチ接触の複雑な加工を避けることができる。
The
補助電極157は、トランジスタセルTCを包含するトランジスタセルアレイ外のトレンチ構造150の端部において、及び/又はトランジスタアレイ内の選択された位置において、第1の負荷電極310に電気的に接続されてもよい。例えば、補助電極157は、トレンチ構造150の上部から下部へと延在する接続部分を包含してもよい。接続部分は、ストライプ部分161、162の1つにおいてゲート電極155を局所的に中断してもよい。接続部分は、ストライプ部分161、162の1つにおけるゲート電極155の局所的中断が、隣接したストライプ部分161、162におけるゲート電極155の連続部分によってバイパスされるように配置されてもよい。
The
裏側の第2の負荷電極320は、ドリフト構造130のベース部分139に直接接触してもよい。ベース部分139は、第2の負荷電極320とオーミック接触を形成してもよく、及びドリフトゾーン131に直接隣接してもよい。
The backside
シールド領域140の形状は、オン状態電流の比較的小さなカウンタードープ通路によって穿孔されるが、第2の負荷電極320の電位に対してシールド領域140が高効率で本体領域120をシールドできるように、残りの部分においてドリフト構造130に対して比較的平坦なインタフェースを持つ平らな水平層の形状でもよい。
The shape of the
大きなカウンタードープ通路を備えた、及び/又はドリフト構造130とのインタフェースに段差を持つシールド構造と比較して、シールド領域140は、電界のより均一な分布を提供することができる。均一な電界は、半導体デバイス500の電圧阻止能力及び放射線硬度を向上させる。
Compared to a shield structure with a large counter-doping path and / or a step at the interface with the
効率的なシールドは、本体領域120の垂直延在部及びトランジスタセルの反転チャネルの長さを減少させることができるように、本体領域120に対する空乏ゾーンの影響も減少させる。炭化ケイ素において、反転チャネルの抵抗が、少なくとも1700V以下の公称阻止電圧の半導体デバイスに関してオン状態抵抗を支配するので、オン状態抵抗RDSonを大幅に低下させるために、効果的な層状シールド領域140を使用することができる。この効果は、反転チャネルにメサ部分190の3つ以上の面を用いることによるチャネル幅の増加を増大させる。
An efficient shield also reduces the effect of the depletion zone on the
非常に効果的なシールド領域140は、第2のpn接合pn2に沿ったドリフト構造130の領域において、より高いドーピングをさらに可能にすることができる。より高いドーピングは、ドリフト構造130を流れるオン状態電流の横方向分布を向上させ、及びオン状態抵抗RDSonをさらに低下させることができる。シールド領域140は、トランジスタセルTCの閾値電圧に対する第2の負荷電極320の電位の影響が低いままであるように、ドレイン誘導障壁低下(DIBL)をさらに低下させる。
A very
短絡状態においても、シールド領域140は、本体領域120を効果的にシールドし、及びチャネル長さの減少を少なくする。チャネル長さの減少がドレイン電流の増加をもたらすので、チャネル長さの減少を避けることによって、シールド領域は、効果的に短絡耐久性を向上させる。
Even in a short circuit condition, the
シールド領域140は、炭化ケイ素結晶外の低インピーダンス経路を通して第1の負荷電極310に直接接続されるので、シールド領域140は、効率的なボディダイオードとして使用することができる。低インピーダンス経路の電気抵抗は、トランジスタセルTCのスイッチングによってトリガされ得る発振を減衰させる。
Since the
シールド領域140を通る電圧破壊は、生成されたホールが補助電極157を通る低オーミック経路に沿って第1の負荷電極310に到達することをもたらす。ゲート誘電体153及びフィールド誘電体159は、ゲート誘電体153及び/又はフィールド誘電体159に近い炭化ケイ素結晶の部分における電荷担体の生成に起因する悪影響を受けないままである。
The voltage breakdown through the
シールド領域140は、逆伝達容量Crssをさらに低下させることができ、低Crssは、さらに高速なスイッチングサイクル及び/又はより低いスイッチング損失を可能にする。一方、シールド領域140は、ドレイン−ソース間電圧VDSの変動及びノイズの観点から半導体デバイス500のより安定した挙動を提供するゲート−ソース間コンデンサの一部を形成する。
The
図9A及び9Bでは、ゲート電極155は、トレンチ下部に至るまで延在し、及びフィールド誘電体159の部分が、シールド領域140をゲート電極155から分離する。フィールド誘電体159は、ゲート誘電体153よりも大きな厚さを有していてもよい。第1のメサ部分191は、トランジスタセルTCの本体領域120及びソースゾーン110を包含してもよい。第2のメサ部分192は、シールド領域140の導電型のダイオード領域127を包含してもよい。ダイオード領域127は、シールド領域140を第1の負荷電極310に接続してもよい。
In FIGS. 9A and 9B, the
ドリフト構造130は、本体領域120に直接隣接する電流拡散ゾーン132を包含してもよい。電流拡散ゾーン132は、ドリフトゾーン131の導電型を有し、及びオン状態電荷担体の流れを水平に分布させる。電流拡散ゾーン132は、シールド領域140の隣り合う部分間で生じる接合電界効果を低下させることができ、又は接合電界効果の強さを調節するために使用することができる。
The
トレンチ構造150は、垂直側壁、垂直方向に対して傾斜した側壁、又は隆起した側壁を有していてもよい。トレンチ構造150のストライプ部分161、162は、第1の面101までの距離が増加するにつれてテーパー状になってもよく、シールド領域140の隣り合う部分間の接合電界効果を低下させることができる。あるいは、トレンチ構造150のストライプ部分161、162は、第1の面101までの距離が減少するにつれてテーパー状になってもよく、シールド領域140の隣り合う部分間の接合電界効果及びシールド領域140のシールド効率をさらに増大させることができる。
The
図10Aは、水平断面がひし形であるメサ部分190を示す。トレンチ構造150は、平行な第1のストライプ部分161と、傾斜角γで第1のストライプ部分161と交差する平行な第2のストライプ部分162とを包含し、傾斜角γは、90°未満及び少なくとも10°でもよい。第1のストライプ部分161及び第2のストライプ部分162は共に、真っ直ぐなストライプである。
FIG. 10A shows a
図10Bは、水平断面が正六角形であるメサ部分190を示す。トレンチ構造150は、平行な第1のストライプ部分161と、第1のストライプ部分161と交差する第2のストライプ部分162とを包含する。第2のストライプ部分162のセットは、第2のストライプ部分162の対称対を包含し、対称対の第2のストライプ部分162は、中間対称軸に対して互いに対称である。第1のストライプ部分161のセクションは、第2のストライプ部分162のセクションと重なってもよい。第1のストライプ161及び第2のストライプ162は、蛇行したストライプである。
FIG. 10B shows a
図11及び12A〜12Gは、炭化ケイ素デバイスの製造方法の実施形態例を示す。炭化ケイ素デバイスは、本明細書において、具体的には、図1、2A、2B、2C、2D、3A、3B、3C、4A、4B、4C、4D、4E、5A、5B、6A、6B、7A、7B、8A、8B、9A、9B、10A、及び10Bの実施形態に関連して記載されたような半導体デバイスでもよい。反対に、本明細書に記載される半導体デバイスは、図11及び12A〜12Gの実施形態に関連して記載される方法を用いて製造されてもよい。 11 and 12A-12G illustrate an example embodiment of a method for manufacturing a silicon carbide device. Silicon carbide devices are specifically referred to herein as FIGS. 1, 2A, 2B, 2C, 2D, 3A, 3B, 3C, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 5A, 5B, 6A, 6B, It may be a semiconductor device as described in connection with the 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, and 10B embodiments. Conversely, the semiconductor devices described herein may be manufactured using the methods described in connection with the embodiments of FIGS. 11 and 12A-12G.
図11によれば、トレンチゲート電極を包含するトランジスタセルTCを備えた炭化ケイ素デバイスの製造方法は、炭化ケイ素基板の処理面にトレンチを形成すること(912)を包含し、半導体基板は、ドリフト層と第2のpn接合を形成する本体層を包含し、並びにトレンチは、本体層を通って延在し、及びドリフト層構造を露出させる。トレンチの下部を通してドーパントが注入されることによって、シールド領域が形成され(914)、シールド領域は、ドリフト層構造と第1のpn接合を形成する。誘電体スペーサが、トレンチ750の両長辺に形成される(916)。導電材料が堆積されることにより、シールド領域と低抵抗接触を形成する補助電極の埋込部分が形成される(918)。本方法は、比較的少ない付加的努力で、比較的深いシールド領域を提供する。 According to FIG. 11, a method for manufacturing a silicon carbide device with a transistor cell TC including a trench gate electrode includes forming a trench in a processing surface of a silicon carbide substrate (912), wherein the semiconductor substrate is drifted. A body layer is formed that forms a second pn junction with the layer, and a trench extends through the body layer and exposes the drift layer structure. A dopant is implanted through the bottom of the trench to form a shield region (914), which forms a first pn junction with the drift layer structure. Dielectric spacers are formed on both long sides of the trench 750 (916). A conductive material is deposited to form a buried portion of the auxiliary electrode that forms a low resistance contact with the shield region (918). The method provides a relatively deep shield area with relatively little additional effort.
図12A〜12Gは、炭化ケイ素基板700に基づいて炭化ケイ素デバイスを製造する方法に関する。炭化ケイ素基板700は、4H−SiCで作られてもよく、及び一例として、のこ引きによってシリコンインゴットから得られた炭化ケイ素スライスでもよい、高濃度にドープされたベース基板705を包含してもよい。ベース基板705は、例えば、高濃度にドープ(例えば、高濃度nドープ)されてもよい。ベース基板705と単極接合を形成するドリフト層構造730は、例えばエピタキシーによってベース基板705の処理面上に形成されてもよい。ドリフト層構造730とは反対の導電型の本体層720が、例えば、エピタキシーによって、又はドーパントを注入することによって、ドリフト層構造730の上面上に形成されてもよい。ドリフト層構造730の導電型のソース層710が、例えば、先に成長させた本体層720の部分にドナーを注入することによって、又は堆積によって(例えば、エピタキシーによって)、本体層720上に形成されてもよい。ソース層710は、後の処理段階で形成されてもよい。
12A-12G relate to a method of manufacturing a silicon carbide device based on a
ある実施形態によれば、本体層720の導電型の高濃度にドープされた接触部分は、例えば、イオン注入によって形成されてもよい。接触部分は、炭化ケイ素基板700の処理面701から本体層720に至るまで、又は本体層720の内部へと延在してもよい。
According to some embodiments, the heavily doped contact portion of the conductivity type of the
マスク層は、ソース層710の処理面701上に、又は該当する場合、本体層720上に堆積される。フォトリソグラフィにより、マスク層からトレンチマスク790が形成される。1つのグリッド状トレンチ又は複数のストライプ形状トレンチ750が、トレンチマスク790の1つ又は複数の開口部の垂直突起に形成され、1つ又は複数のトレンチ750は、本体層720を通って、及びドリフト層構造730の内部へと延在する。
The mask layer is deposited on the
図12Aは、ドリフト層構造730と第2のpn接合pn2を形成し、及びソース層710と第3のpn接合pn3を形成する本体層720を備えた炭化ケイ素基板700を示す。トレンチ750は、本体層720を穿孔し、及びドリフト層構造730の上側部分内へと延在する。1つ又は複数のトレンチ750、及びトレンチ750間の、又は1つのトレンチ750の複数のセクション間の炭化ケイ素基板700のメサセクション796の形状及び寸法に関しては、前の図面を参照して記載されたトレンチ構造及びメサ部分の形状及び寸法を参照する。
FIG. 12A shows a
ドリフト層構造730の導電型とは反対の導電型のドーパントが、1つ又は複数のトレンチ750の下部を通して注入されてもよく、トレンチマスク790が、注入マスクとして使用されてもよい。
A dopant of a conductivity type opposite to that of the
図12Bは、1つ又は複数のトレンチ750の垂直突起における注入によって形成された1つ又は複数のシールド領域140を示す。比較的深いシールド領域140が、比較的穏やかな加速エネルギーで形成されてもよい。炭化ケイ素から選択的に除去可能な補助材料792が堆積されてもよく、及び熱処理が注入損傷をアニールし、及び/又は注入されたドーパントを活性化することによって、炭化ケイ素基板700の結晶格子を修復してもよい。
FIG. 12B shows one or
図12Cは、1つ若しくは複数のトレンチ750を部分的若しくは完全に充填してもよい、及び/又は1つ若しくは複数のトレンチ750を覆ってもよい補助材料792を示す。補助材料792は、熱処理中にメサセクション796を安定させることができる。補助材料792は、除去されてもよく、及び酸化雰囲気中での熱処理により、炭化ケイ素基板700の露出部分上に、犠牲酸化層794が形成されてもよい。
FIG. 12C shows an
図12Dは、1つ又は複数のトレンチ750を覆う犠牲酸化層794を示す。犠牲酸化層794は、除去することができる。犠牲酸化層794の形成及び除去は、1つ又は複数のトレンチ750の側壁からドーパント原子を除去することができる。代替的に、又は追加的に、犠牲酸化層は、注入に先立つ酸化及び/又は堆積によって形成されてもよく、犠牲酸化層は、注入のための浮遊酸化物として有効となり得る。
FIG. 12D shows a
誘電体スペーサ759は、例えば、均一な厚さのコンフォーマル層の堆積及び異方性エッチングによる堆積された層の水平部分の選択的除去を包含するスペーサプロセスによって、1つ又は複数のトレンチ750の側壁上に形成されてもよい。
The
図12Eは、1つ又は複数のトレンチ750の側壁を覆い、且つ1つ又は複数のトレンチ750の下部は露出させたままの誘電体スペーサ759を示す。インタフェース層が、例えば、ニッケルアルミニウム(NiAl)のサリサイド化によって、1つ又は複数のトレンチ750の下部に形成されてもよい。さらなる導電材料が、堆積及びリセス加工され、トレンチ750の下部セクションにおいて、少なくとも補助電極157の埋込部分1571が形成されてもよい。リセス加工は、CMP(化学機械研磨)を包含してもよい。分離誘電体156は、補助電極157の材料の露出面上に選択的に形成されてもよい。例えば、補助電極157の形成は、高濃度にドープされた多結晶シリコンの堆積を包含し、及び分離誘電体156の形成は、多結晶シリコンに関する成長率が、単結晶炭化ケイ素に関する成長率よりも大幅に高い酸化プロセスを包含してもよい。分離誘電体156を形成する前後において、埋込部分1571は、誘電体スペーサ759の露出部分を除去するためのエッチマスクとして使用することによって、誘電体スペーサ759の下部部分から、埋込部分1571をドリフト層構造730から側方で分離するフィールド誘電体159が形成されてもよい。
FIG. 12E shows a
図12Fは、分離誘電体156で覆われ、且つフィールド誘電体159によってドリフト層構造730から側方で分離される埋込部分1571を示す。
FIG. 12F shows a buried
トレンチマスク790が除去されてもよく、例えば、酸化ケイ素を堆積し、堆積された酸化ケイ素を熱処理で高密度化し、及び窒素を堆積された層に導入することによって、ゲート誘電体層753が形成されてもよい。1つ又は複数のトレンチ750の上部セクションを充填するように、導電材料(例えば、高濃度にドープされた多結晶シリコン)が、堆積及びリセス加工されてもよい。リセス加工は、CMPを包含してもよい。
The
図12Gは、1つ又は複数のトレンチ750の上部セクションの高濃度にドープされた多結晶材料から形成されたゲート電極155を示す。中間層誘電体が、堆積され、及び炭化ケイ素基板700の処理面701を露出させるように部分的にリセス加工されてもよい。リセス加工は、CMPを包含してもよい。
FIG. 12G shows a
本明細書において具体的な実施形態を図示及び記載したが、本発明の範囲から逸脱することなく、図示及び記載された具体的な実施形態の代わりに、様々な代替形態及び/又は均等な実施態様を代用することができることを当業者は理解するだろう。本出願は、本明細書で説明した具体的な実施形態のあらゆる改変形態又は変形形態を対象に含めるものとする。従って、本発明は、請求項及びその均等物によってのみ限定されるものとする。 While specific embodiments have been illustrated and described herein, various alternatives and / or equivalent implementations may be substituted for the specific embodiments illustrated and described without departing from the scope of the invention. One skilled in the art will appreciate that the embodiments can be substituted. This application is intended to cover any modifications or variations of the specific embodiments described herein. Therefore, it is intended that this invention be limited only by the claims and the equivalents thereof.
100 半導体本体
101 第1の面
110 ソースゾーン
120 本体領域
128 接触部分
130 ドリフト構造
131 低濃度にドープされたドリフトゾーン
132 電流拡散ゾーン
140 シールド領域
150 トレンチ構造
151 第1のセグメント
152 第2のセグメント
155 ゲート電極
156 分離誘電体
157 補助電極
158 ゲート導体構造
159 フィールド誘電体
161、162 ストライプ部分
190 メサ部分
310 第1の負荷電極
500 半導体デバイス
700 炭化ケイ素基板
701 処理面
720 本体層
730 ドリフト層構造
750 トレンチ
759 誘電体スペーサ
792 補助材料
1501 第1のトレンチ構造
1502 第2のトレンチ構造
1571 埋込部分
1572 接続部分
1575 インタフェース層
1581 第1の接続部分
1582 第2の接続部分
1583 第3の接続部分
DESCRIPTION OF
Claims (23)
前記トレンチ構造の前記下部の前記補助電極に隣接し、ドリフト構造と第1のpn接合を形成するシールド領域と、
を含み、前記補助電極が、前記シールド領域と低オーミック接触する、半導体デバイス。 A trench structure extending from a first surface into the silicon carbide semiconductor body, the auxiliary electrode under the trench structure; and a gate electrode disposed between the auxiliary electrode and the first surface. Including a trench structure;
A shield region adjacent to the auxiliary electrode in the lower portion of the trench structure and forming a drift structure and a first pn junction;
Only containing the auxiliary electrode, to a low ohmic contact with the shield region, the semiconductor device.
前記第1のセグメント内に形成され、及び前記トレンチ構造の下部において前記炭化ケイ素半導体本体から誘電的に絶縁されたゲート電極と、
前記第2のセグメントに形成された補助電極と、
前記トレンチ構造の前記下部の前記補助電極と隣接し、及び前記炭化ケイ素半導体本体のドリフト構造と第1のpn接合を形成するシールド領域と、
前記補助電極及び前記ドリフト構造を分離するフィールド誘電体と、
を含み、前記補助電極が、前記シールド領域と低オーミック接触する、半導体デバイス。 The trench comprising first and second segments extending from a first surface into a silicon carbide semiconductor body and extending from a first sidewall of the trench structure to an opposite second sidewall, respectively. Structure and
A gate electrode formed in the first segment and dielectrically insulated from the silicon carbide semiconductor body at the bottom of the trench structure;
An auxiliary electrode formed in the second segment;
A shield region adjacent to the lower auxiliary electrode of the trench structure and forming a first pn junction with the drift structure of the silicon carbide semiconductor body;
A field dielectric separating the auxiliary electrode and the drift structure;
Only containing the auxiliary electrode, to a low ohmic contact with the shield region, the semiconductor device.
ドリフト層構造と第2のpn接合を形成する本体層を含む炭化ケイ素基板の処理面にトレンチを形成するステップであって、前記本体層は、前記処理面と前記ドリフト層構造との間に存在し、及び前記トレンチが、前記ドリフト層構造を露出させることと、
前記トレンチの下部を通してドーパントを注入することによって、前記ドリフト層構造と第1のpn接合を形成するシールド領域を形成することと、
前記トレンチの側壁上に誘電体スペーサを形成することと、
前記トレンチの下部セクションに補助電極の埋込部分を形成することであって、前記埋込部分が、前記シールド領域と低オーミック接触する、埋込部分を形成することと、
を含む方法。 A method for manufacturing a silicon carbide device, comprising:
Forming a trench in a processing surface of a silicon carbide substrate including a drift layer structure and a body layer forming a second pn junction, wherein the body layer exists between the processing surface and the drift layer structure And the trenches expose the drift layer structure;
Forming a shield region that forms a first pn junction with the drift layer structure by implanting a dopant through a lower portion of the trench;
Forming a dielectric spacer on a sidewall of the trench;
Forming a buried portion of an auxiliary electrode in a lower section of the trench, the buried portion forming a buried portion in low ohmic contact with the shield region;
Including methods.
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